【正文】 輻射片形狀、開槽及漸變?nèi)齻€變量三個方面逐一優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果較為滿意。而天線及其收發(fā)端作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，有著舉足輕重的地位。超寬帶天線的設(shè)計不僅要考慮傳統(tǒng)窄帶天線的性能指標(biāo)如增益效率等，還要考慮由輻射脈沖引起的色散及不同應(yīng)用場合的物理尺寸問題。（2）根據(jù)單極子天線的設(shè)計理論設(shè)計出兩個天線模型，采用兩種不同的饋電方式：微帶線饋電和共面波導(dǎo)同軸線饋電。另外，天線的各參數(shù)都是停留在仿真的層面，沒有進(jìn)行實際的研究，到目前為止，得到的認(rèn)識也停留在理論基礎(chǔ)上，沒有從實踐上對設(shè)計進(jìn)行檢驗。19980816/19981004　　〔序號〕〔Z〕.出版地:出版者，出版年。 當(dāng)然，由于過去從未接觸過天線理論和設(shè)計，所以在取得成績的同時也有著較大的不足之處。本文首先回顧了超寬帶天線的發(fā)展歷程、常見類型和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，然后圍繞平面印刷單極子天線的“超寬帶、小型化”主題設(shè)計了兩款天線并對其進(jìn)行仿真分析，主要工作和成果如下：（1）熟悉和了解了天線方面的基礎(chǔ)知識，包括天線的基本原理和衡量其性能的各個參數(shù)。盡管過去已經(jīng)有相當(dāng)種類的寬帶天線，但此時已不再適用。由于前期過于注重帶寬的展寬，忽略了天線的方向性，所以在高頻段中天線的輻射方向性差強(qiáng)人意，這在以后的工作學(xué)習(xí)中要汲取經(jīng)驗，學(xué)會綜合考慮。下面列出該天線在3/7/11GHz的E面及H面方向圖，—： 3GHz 天線E面方向圖 3GHz 天線H面方向圖 7GHz 天線E面方向圖 7GHz 天線H面方向圖 11GHz 天線E面方向圖 11GHz 天線H面方向圖 從上面天線的三個頻點可以看出，該超寬帶天線符合平面單極子的方向特性，E面近似成“8”字，11GHz的E面有些畸變，H面方向圖具有良好的雙向性。天線A、B、C、D、。因此該天線能滿足UWB通信的需求。 最終優(yōu)化天線駐波比離散曲線圖 最終優(yōu)化天線駐波比連續(xù)曲線圖通過改進(jìn)，從圖中可以看出，—30GHz的范圍內(nèi)VSWR＜2，達(dá)到了目標(biāo)要求。為了進(jìn)一步優(yōu)化天線，本節(jié)再嘗試著對接地板進(jìn)行處理，在其左上角和右上角形成漸變結(jié)構(gòu)，看能否優(yōu)化低頻段的性能。故選擇d=。根據(jù)以上分析，加上基于接地板與輻射片關(guān)系的考慮，確定不對輻射片形狀加以變化，保持原始形狀。下面選取原始輻射片形狀和三種更改后的形狀對比。綜合參考論文和自己的仿真經(jīng)驗，我覺得這是一個合情推理，有待下文驗證。由于接地板高度的對比是在輻射片不變的情況下進(jìn)行的，所以只能初步認(rèn)定，12mm高的接地板效果相對較優(yōu)，在更改輻射片之后，可以結(jié)合輻射片進(jìn)一步對比選擇最優(yōu)尺寸。使用軟件中的Optimetrics中的Tuning進(jìn)行仿真。對比需要有針對性，出于建模時間、復(fù)雜度、仿真次數(shù)和仿真時間的考慮，參數(shù)的對比主要集中在輻射振子形狀大小，饋線的漸變結(jié)構(gòu)，地板的高度和漸變結(jié)構(gòu)上。然后闡述了單極子天線的設(shè)計方法——圓柱體近似法，采用三個經(jīng)驗公式即可粗略算出輻射片的面積，接下來就可以采用面積等效法進(jìn)行變換。 天線的電壓駐波比變化曲線 天線模型的Smith Chart ，根據(jù)其電壓駐波比的變化曲線和史密斯圓圖，可以看出這款單極子天線的阻抗匹配還不錯，但卻尚未達(dá)到VSWR＜2的結(jié)果，所以還有待改進(jìn)。經(jīng)過計算阻抗為50歐姆。 一種半圓片共面波導(dǎo)超寬帶天線設(shè)計 、。 設(shè)置仿真的頻率為7GHz（由于是重點仿真其駐波比，所以頻點設(shè)為中心頻率），添加掃頻，仿真3—11GHz的結(jié)果，由于先粗略仿真，故每1GHz仿一個點。 一種類六邊形超寬帶天線的設(shè)計，天線選用厚度為1mm的聚四氟乙烯（FR4）作為介質(zhì)基板（，）,，分別印在介質(zhì)的兩面，接地板覆蓋了整個背面。有以下經(jīng)驗公式： （31） (32) （33） （34）其中H、。在移動通信系統(tǒng)中。通過HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup可以進(jìn)行自適應(yīng)頻率和收斂標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置，通過HFSSAnalysis SetupAdd Sweep可以得到互連結(jié)構(gòu)的掃頻響應(yīng)，通常選擇插值掃頻。指定端口設(shè)置激勵（HFSSExcitationsAssign）。在創(chuàng)建每一個基本結(jié)構(gòu)單元時，HFSS都會提示確定其屬性，默認(rèn)的材料特性是真空。HFSSSolution Type，設(shè)置解算類型，確定如何激勵和收斂。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算?？傃b是在相鄰單元結(jié)點進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點處。為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。有限元的概念早在幾個世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。第3章 超寬帶天線設(shè)計 引言 目前單極子天線由于其結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、寬阻抗帶寬，且較易獲得全向輻射特性成為目前超寬帶天線的研究熱點。 本章小結(jié)本章介紹了天線的基礎(chǔ)知識，包括天線的電路參數(shù)、輻射參數(shù)、阻抗匹配和實際應(yīng)用的一些要求。另外，除非計算機(jī)是專門為這個用途制造的，否則電路仿真軟件不可能預(yù)裝在計算機(jī)上。有很多種阻抗匹配的方法，看看相比于其他計算方法而言，史密斯圓圖的優(yōu)點在什么地方。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對功耗要求高的系統(tǒng)。 2 并聯(lián)終端匹配并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點是在信號源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡單，就是要求匹配電阻值與驅(qū)動器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。反之則在傳輸中有能量損失。阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量優(yōu)劣。增益G與方向性系數(shù)D的關(guān)系見式（225）： （217）其中η為天線效率，天線輸入端的阻抗失配、饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗、天線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、天線輻射的表面波損耗等因素都會降低天線的輻射效率。 方向性系數(shù)(D)是以總輻射功率相同為基點，沒有考慮天線將輸入功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的效率。定義為在總輻射功率相同的條件下，天線在某特定方向上的輻射強(qiáng)度與參考天線的輻射強(qiáng)度之比。位于自由空間的電基本振子，其E面是通過振子軸的子午平面（φ=常數(shù)的平面），H面是垂直于振子軸的赤道平面（θ=90176。在此平面內(nèi)，功率通量密度或場強(qiáng)隨方向角φ變化。由于這個緣故，天線方向圖通常是用兩個互相垂直的主平面內(nèi)的方向圖表示，稱為平面方向圖。所謂的輻射參量包括輻射的功率通量密度、場強(qiáng)、相位和極化，在一般情況下，輻射方向圖在遠(yuǎn)場測定，并表示為空間方向坐標(biāo)的函數(shù)，稱為方向（圖）函數(shù)。由于Z參數(shù)有實部和虛部，是矢量形式，因此只有矢量網(wǎng)路分析儀才能測量天線的輸入阻抗。： 在線性微波網(wǎng)絡(luò)中，由于歸一化電壓和電流之間呈線性關(guān)系，所以歸一化入射波與反射波之間也呈線性關(guān)系。反射系數(shù)的定義為反射波與入射波的比值： (210) VSWR定義為電壓最大值與電壓最小值之比： (211) 天線的輸入阻抗為電壓與電流之比，傳輸線上的歸一化電壓為入射波與反射波的復(fù)數(shù)相加，傳輸線上的歸一化電流為入射波與反射波的復(fù)數(shù)相減?？芍娏髟狪(z)dz所產(chǎn)生的輻射場為： (25)將式(25)代入上式可得位于處的電流元的輻射場為： (26)式中，為單位矢量。此時輻射場的計算，嚴(yán)格說應(yīng)該根據(jù)其特定的邊界條件求解麥克斯韋方程組的解。Imdl放置于球坐標(biāo)的原點處。遠(yuǎn)場區(qū)有以下特點：（1） 遠(yuǎn)場區(qū)只有Eθ和Eφ兩個分量，兩者在空間上互相垂直，在時間上同相位，該且與內(nèi)沿矢徑方向傳播的電磁波占了絕對優(yōu)勢，電磁場沿矢徑方向向外傳播且不再返回。 電流元極其坐標(biāo)系 計算該電流元在其周圍空間產(chǎn)生的電磁場分布。UWB天線的設(shè)計和實現(xiàn)亦有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶天線，窄帶天線的設(shè)計利用諧振特性，帶寬有限，而傳統(tǒng)的寬帶天線基于行波特性和頻率不變性來實現(xiàn)，在UWB系統(tǒng)中應(yīng)用有限。天線按結(jié)構(gòu)形式分為兩大類，一類是導(dǎo)線，金屬棒或金屬板結(jié)構(gòu)天線，稱為線天線；另一類是似聲學(xué)或光學(xué)設(shè)備，有金屬面或介質(zhì)面構(gòu)成的天線天線的基本參數(shù)可以分為兩大類，電路參數(shù)和輻射參數(shù)。需要解決如下三個問題：第一，有效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，提高輻射功率或提高天線系統(tǒng)的信噪比。最后，本章對全論文的架構(gòu)也作了說明，將全論文的結(jié)構(gòu)清晰地呈現(xiàn)了出來。通過對天線尺寸、介質(zhì)介電常數(shù)、輻射板和底板的形狀，饋電方式等方面來研究超寬帶天線，~≤2。這章作為研究超寬帶天線的理論基礎(chǔ)。 可見，超寬帶天線的研究內(nèi)容涉及到電磁場數(shù)值計算、微波集成電路與精密加工工藝、新型材料、儀器與測量技術(shù)、通信信號處理等理論和技術(shù)，還有大量研究工作有待今后完成。 小型化平面超寬帶天線是一個熱門研究課題。最直接的方法是采用在同步接收機(jī)上安裝收發(fā)天線，通過直接收發(fā)脈沖信號，觀察接收波形的方法來判斷天線的優(yōu)劣。但他利用這種原理設(shè)計出來的一款天線雖實現(xiàn)了小型化，在工作頻率方面卻不能滿足超寬帶系統(tǒng)的要求。實驗證明，通過將天線印刷在介質(zhì)基板上可借助材料的介電常數(shù)有效地縮小天線的尺寸，在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步通過天線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加載技術(shù)及匹配網(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)天線小型化與寬頻帶的設(shè)計 目前,世界各國都非常重視超寬帶天線技術(shù)及其在未來移動通信方案中的地位與作用,紛紛開展了大量理論分析和研究,并建立了一些技術(shù)試驗平臺。在不增加天線復(fù)雜性和體積的基礎(chǔ)上，研究人員提出了許多具有陷波特性的超寬帶天線。印刷縫隙天線相對于微帶天線來說，有較大的阻抗帶寬及全向輻射，體積不因帶寬增寬而增大，但會因為接地面橫向電流大而使交叉極化比單極子大。為了解決這個結(jié)構(gòu)問題，隨后又出現(xiàn)了印刷單極子天線，此時的超寬帶天線才是真正的二維結(jié)構(gòu)，通常采用微帶線和共面波導(dǎo)饋電。大大地增多了平板單極子天線的種類。從上世紀(jì)九十年代開始，一些新型的平面超寬帶天線不斷涌現(xiàn)，包括超寬帶平板單極子天線、超寬帶印刷單極子天線、超寬帶印刷縫隙天線等。下圖是早期的雙錐天線極其變形，逐漸由立體雙錐演變成平面雙錐結(jié)構(gòu)。在工作頻率改變時諧振振子就可以沿著天線集合線向前向后移動，同時可以保證諧振點的電尺寸不變，從而使天線的電特性可以基本保持不變。主要廣泛用于通信及雷達(dá)探測領(lǐng)域； （3）1990年至今則是真正意義上的超寬帶天線發(fā)展時期，2002年FCC開放民用UWB設(shè)備使用頻段，關(guān)于超寬帶天線的各種研究開始高速發(fā)展起來。第一種由DARPA在1990年定義的，其相對帶寬為25%，第二種是最近由FCC定義的，其相對帶寬是20% Bw=2 （11）在此范圍內(nèi)天線的特性如輸入阻抗、駐波比、隔離度、半波束寬度、增益、極化、方向性參數(shù)等在允許的范圍